DE10154637B4 - Fuel delivery unit and its use for providing a hydrogen-containing fuel - Google Patents

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Abstract

Brennstoffbereitstellungseinheit zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs eines Brennstoffenergiewandlers (1, 12) zur chemischen Umformung und Energiewandlung des Brennstoffs mit einem Brennstoffdruckspeicher (2) zur Speicherung des mit Druck beaufschlagten Brennstoffs, wobei wenigstens eine separate Druckenergieverwertungseinheit (4, 8, 9) zur Umwandlung und Verwertung von Druckenergie des Brennstoffs vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Druckenergieverwertungseinheit (4, 8) im Strömungsfluss zwischen dem Brennstoffdruckspeicher (2) und dem Brennstoffenergiewandler (1, 12) angeordnet ist, und dass eine zweite Druckenergieverwertungseinheit (9) in Strömungsrichtung hinter dem Brennstoffenergiewandler (1, 12) angeordnet ist.A fuel delivery unit for providing a hydrogen-containing fuel of a fuel energy converter (1, 12) for chemical conversion and energy conversion of the fuel to a fuel pressure accumulator (2) for storing the pressurized fuel, wherein at least one separate pressure energy utilization unit (4, 8, 9) for conversion and recovery of pressure energy of the fuel is provided, characterized in that a first pressure energy utilization unit (4, 8) in the flow flow between the fuel pressure accumulator (2) and the fuel energy converter (1, 12) is arranged, and that a second pressure energy utilization unit (9) in the flow direction behind the Fuel energy converter (1, 12) is arranged.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbereitstellungseinheit sowie deren Verwendung zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs eines Brennstoffenergiewandlers zur chemischen Umformung und Energiewandlung des Brennstoffs nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 14.The The invention relates to a fuel supply unit and their Use for providing a hydrogen-containing fuel a fuel energy converter for chemical transformation and energy conversion of the fuel according to the preambles of claims 1 and 14, respectively.

Stand der TechnikState of the art

Das Interesse an Wasserstoff als Energieträger für die Zukunft hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Vor allem mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen kann umweltschonend elektrische Energie und Wärme erzeugt werden. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist nicht durch den Carnot-Prozess begrenzt. Mit entsprechend hohen Wirkungsgraden können beispielsweise fossile Ressourcen geschont und bei der Verwendung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen reduziert werden.The Interest in hydrogen as an energy carrier for the future has been in the last few years Years increased significantly. Especially with hydrogen fuel cells environmentally friendly electrical energy and heat can be generated. The efficiency of fuel cells is not limited by the Carnot process. With correspondingly high efficiencies, for example, fossil Resources spared and when using fuel cells in vehicles or combined heat and power plants be reduced.

Mit Brennstoffzellen wird die chemisch gebundene Energie des Wasserstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt, die z. B. bei Fahrzeuganwendungen mit Hilfe eines Elektromotors in mechanische Antriebsenergie überführt werden kann.With Fuel cells become the chemically bound energy of hydrogen directly converted into electrical energy, the z. B. in vehicle applications be converted into mechanical drive energy by means of an electric motor can.

Darüber hinaus werden gerade moderne Kraftfahrzeuge in zunehmendem Maß mit einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern ausgestattet, um Zusatzfunktionen zur Verbesserung der Motorsteuerung, des Komforts und/oder der Sicherheit anzubieten. Der sich hieraus ergebende höhere elektrische Energiebedarf kann mittels einer entsprechenden Brennstoffzelle in Kombination mit dem Verbrennungsmotor bzw. dessen sogenannter Lichtmaschine gedeckt werden.Furthermore Modern motor vehicles are increasingly becoming one Variety of electrical consumers equipped to additional functions to improve engine control, comfort and / or safety offer. The resulting higher electrical energy requirement can by means of a corresponding fuel cell in combination with the internal combustion engine or its so-called alternator be covered.

Insbesondere für Fahrzeuganwendungen werden derzeit unter anderem sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen) eingesetzt, bei denen protonenleitende Polymermembranen eingesetzt werden und die gegenwärtig möglichst reinen Wasserstoff als Brennstoff benötigen.Especially for vehicle applications currently including so-called PEM fuel cells (polymer electrolyte membrane fuel cells) used in which proton-conducting polymer membranes used become and the present preferably need pure hydrogen as fuel.

Weiterhin kann Wasserstoff in Verbrennungsmotoren, insbesondere Hubmotoren, zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie chemisch umgesetzt werden.Farther hydrogen can be used in combustion engines, in particular lifting motors, be chemically converted to produce mechanical drive energy.

Prinzipiell bietet Wasserstoff die Möglichkeit einer regenerativen Bereitstellung sowie der kohlendioxid- und nahezu schadstofffreien Verbrennung bzw. Umsetzung.in principle Hydrogen offers the possibility of regenerative provision as well as the carbon dioxide and almost pollutant-free combustion or conversion.

Vor allem bei Fahrzeuganwendungen oder anderen Inselsystemen wird der Wasserstoff bzw. der wasserstoffhaltige Brennstoff in Drucktanks gespeichert. Zur Zeit sind entsprechende Druckbehälter für Speicherdrücke von ca. 200 bis 300 bar ausgelegt, wobei mittels neuartiger Kompositmaterialien Speicherdrücke von bis zu 700 bar angestrebt werden.In front Especially in vehicle applications or other island systems is the Hydrogen or the hydrogen-containing fuel in pressure tanks saved. At present, corresponding pressure vessels for storage pressures of about 200 to 300 bar designed using novel composite materials storage pressures of up to 700 bar.

Neben der Speicherung des Wasserstoffs in Drucktanks wird bei Fahrzeuganwendungen bereits das Verfahren der Reformierung oder dergleichen von Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Benzin oder Diesel, „on board" eingesetzt. Hierbei sind insbesondere zur Verbesserung der Anpassung an Lastwechsel, des Kaltstartverhaltens, bei Betriebsstörungen des Reformierungsprozesses oder dergleichen mit Druck beaufschlagte Wasserstoffspeicher im Einsatz.Next The storage of hydrogen in pressure tanks is used in vehicle applications already the process of reforming or the like of hydrocarbons, such as Gasoline or diesel, "on board ". Here, in particular to improve the adaptation to load changes, the Cold start behavior, in case of malfunction of the reforming process or the like pressurized hydrogen storage in Commitment.

Beispielsweise bei der großtechnischen Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, z. B. durch Dampf oder autotherme Reformierung, steht der Wasserstoff meist bei Drücken zwischen 20 und 40 bar zur Verfügung. Mittels mehrstufiger Kompressoren wird im Allgemeinen der Wasserstoff anschließend auf den Speicherdruck von ca. 300 bar gebracht. Dies ist mit einem Energieeinsatz von mindestens 5% des gespeicherten Wasserstoffs verbunden. Auch bei anderen Verfahren zur Druckbeaufschlagung des zu speichernden Wasserstoffs wird ein entsprechender Energieeinsatz notwendig, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Wasserstoffnutzung, d. h. von der Erzeugung bis zum Gebrauch, entsprechend verringert wird.For example at the large-scale Production of hydrogen from hydrocarbons, eg. B. by Steam or autothermal reforming, the hydrogen is usually when pressed between 20 and 40 bar available. Multi-stage compressors generally produce hydrogen subsequently brought to the storage pressure of about 300 bar. This is with a Energy input of at least 5% of the stored hydrogen connected. Also in other methods for pressurizing the to be stored hydrogen is a corresponding energy use necessary so that the overall efficiency of hydrogen use, d. H. from generation to use, reduced accordingly becomes.

Aus der DE 100 08 823 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das einen Druckspeicher für Wasserstoff aufweist und eine separate Druckenergieverwertungseinheit. Weiterhin ist aus der DE 197 31 642 C1 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Reformatdruckgasspeicher bekannt, wobei der Reformatdruckgasspeicher zwischen einem Reformer und einer Brennstoffzelle angeordnet ist. Darüber hinaus ist aus der US 5,417,051 A ein weiteres Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem in Strömungsrichtung nach dem Brennstoffenergiewandler eine Druckenergieverwertungseinheit vorgesehen ist. Aus der US 5,229,222 A ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das Ventile als Druckenergieumwandlungseinheiten aufweist.From the DE 100 08 823 A1 is known a fuel cell system having a pressure accumulator for hydrogen and a separate pressure energy recovery unit. Furthermore, from the DE 197 31 642 C1 a fuel cell vehicle with a Reformatdruckgasspeicher known, wherein the Reformatdruckgasspeicher between a reformer and a fuel cell is arranged. In addition, from the US 5,417,051 A another fuel cell system is known in which a pressure energy recovery unit is provided in the flow direction after the fuel energy converter. From the US 5,229,222 A For example, a fuel cell system is known which has valves as pressure energy conversion units.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffbereitstellungseinheit sowie der Verwendung Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs eines Brennstoffenergiewandlers zur chemischen Umformung und Energiewandlung des Brennstoffs mit einem Brennstoffdruckspeicher zur Speicherung des mit Druck beaufschlagten Brennstoffs vorzuschlagen, mit der bzw. dem der Bereitstellungswirkungsgrad des Brennstoffs gegenüber dem Stand der Technik erhöht wird.The object of the invention is to provide a fuel supply unit and the use of providing a hydrogen-containing fuel of a fuel energy converter for chemical transformation and energy conversion of the fuel with a fuel pressure accumulator for storing the pressurized fuel, with the or the provision efficiency of the fuel over the prior Technology is increased.

Diese Aufgabe wird, durch eine Brennstoffbereitstellungseinheit bzw. deren Verwendung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 8 bis 12 gelöst.These Task is, by a fuel supply unit or their Use according to claims 1 or 8 to 12 solved.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.By in the subclaims mentioned measures are advantageous embodiments and further developments of the invention possible.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffbereitstellungseinheit dadurch aus, dass wenigstens eine separate Druckenergieverwertungseinheit zur Umwandlung und Verwertung von Druckenergie des Brennstoffs vorgesehen ist. Gemäß der Erfindung wird Druckenergie des wasserstoffhaltigen Brennstoffs zur Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Energie verwendet, so dass neben der Verwertung der chemischen Energie des wasserstoffhaltigen Brennstoffs zusätzlich dessen Druckenergie in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt und entsprechend verwertet werden kann. Das heißt, dass wenigstens teilweise eine Rückgewinnung der Kompressionsarbeit erfolgt, die zur Druckbeaufschlagung des Wasserstoffs bzw. Brennstoffs aufzubringen ist. Hierdurch erhöht sich in vorteilhafter Weise der Systemwirkungsgrad, wodurch eine besonders effiziente Nutzung der im Brennstoff enthaltenen Gesamtenergie realisiert wird.Accordingly a fuel supply unit according to the invention is characterized characterized in that at least one separate pressure energy recovery unit provided for conversion and utilization of pressure energy of the fuel is. According to the invention is pressure energy of the hydrogen-containing fuel to provide mechanical and / or electrical energy used, so in addition the utilization of the chemical energy of the hydrogen-containing fuel in addition to it Pressure energy converted into mechanical and / or electrical energy and can be recycled accordingly. That means that at least partially a recovery the compression work is carried out to pressurize the Hydrogen or fuel is applied. This increases Advantageously, the system efficiency, creating a special efficient use of the total energy contained in the fuel realized becomes.

Vorzugsweise umfasst die Druckenergieverwertungseinheit wenigstens eine mechanische Antriebsvorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird eine Umwandlung der Druckenergie in mechanische Energie gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise realisierbar. Die mechanische Energie kann zur Erfüllung unterschiedlichster Funktionen einer Brennstoffzellenanlage, Verbrennungsanlage, eines Fahrzeugs oder dergleichen eingesetzt werden. Preferably The pressure energy utilization unit comprises at least one mechanical one Drive device for generating mechanical energy. With help this measure is a conversion of the pressure energy into mechanical energy according to the invention realized in an advantageous manner. The mechanical energy can to fulfillment various functions of a fuel cell system, incinerator, a vehicle or the like can be used.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Druckenergieverwertungseinheit im Strömungsfluss zwischen dem Brennstoffdruckspeicher und dem Brennstoffenergiewandler angeordnet. Mit einer entsprechenden Anordnung kann der Druck des Brennstoffdruckspeichers mittels der Druckenergieverwertungseinheit vorzugsweise auf den Betriebsdruck des Brennstoffenergiewandlers, wie z. B. der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Verbrennungseinrichtung vermindert bzw. eingeregelt werden. Gleichzeitig kann die hierbei freigesetzte Druckenergie des Brennstoffs gemäß der Erfindung umgewandelt und verwertet werden.In a particular embodiment of the invention is the pressure energy recovery unit in the flow flow between the fuel pressure accumulator and the fuel energy converter arranged. With an appropriate arrangement, the pressure of the Fuel pressure accumulator by means of the pressure energy recovery unit preferably to the operating pressure of the fuel energy converter, such as B. the fuel cell unit and / or the combustion device be reduced or adjusted. At the same time, this can released pressure energy of the fuel according to the invention converted and be recycled.

Alternativ oder in Kombination hierzu kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Druckenergieverwertungseinheit in Strömungsrichtung hinter dem Brennstoffenergiewandler angeordnet werden. Das heißt, dass die Druckenergieverwertungseinheit einerseits ausschließlich in Strömungsrichtung hinter dem Brennstoffenergiewandler angeordnet ist bzw. andererseits diese sowohl in Strömungsrichtung hinter als auch vor dem Brennstoffenergiewandler anzuordnen ist, gegebenenfalls mittels zweier separater Baueinheiten.alternative or in combination, according to an advantageous embodiment the invention, the pressure energy recovery unit in the flow direction be arranged behind the fuel energy converter. It means that the pressure energy recovery unit on the one hand exclusively in the flow direction behind the fuel energy converter is arranged or otherwise these both in the flow direction behind and before the fuel energy converter is to be arranged, optionally by means of two separate units.

Durch die Anordnung hinter dem Brennstoffenergiewandler kann in vorteilhafter Weise der Differenzdruck von dem Betriebsdruckniveau des Brennstoffenergiewandlers bis zum atmosphärischen Druck zur Druckenergiegewinnung gemäß der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann bei einem mit 200 bis 700 bar Druck beaufschlagtem Brennstoffdruckspeicher die Druckenergie vor dem Brennstoffenergiewandler durch die Verminderung des Drucks auf Betriebsdruck des Brennstoffenergiewandlers von ca. 1 bis 3 bar mittels einer ersten Vorrichtung und mittels einer entsprechend hinter dem Brennstoffenergiewandler angeordneten, zweiten Vorrichtung der Druckenergieverwertungseinheit die Druckenergie der Expansion von diesem Betriebsdruck bis zum atmosphärischen Druck gewonnen werden.By the arrangement behind the fuel energy converter can in an advantageous Way the differential pressure of the operating pressure level of the fuel energy converter until atmospheric pressure for pressure energy recovery according to the invention be used. For example, at one with 200 to 700 bar pressurized fuel pressure accumulator the pressure energy before the fuel energy converter by reducing the pressure to operating pressure of the fuel energy converter of about 1 to 3 bar by means of a first device and by means of a corresponding behind the fuel energy converter arranged, second device the pressure energy recovery unit the expansion pressure energy be obtained from this operating pressure to the atmospheric pressure.

Vorteilhafterweise ist an der Antriebsvorrichtung wenigstens ein elektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet. Hiermit wird in vorteilhafter Weise eine Erzeugung elektrischer Energie mittels der Druckenergieverwertungseinheit gemäß der Erfindung realisierbar. Die hierbei erzeugte elektrische Energie kann für unterschiedlichste Zwecke verwendet werden. Beispielsweise können elektrische Verbraucher eines Fahrzeuges wenigstens teilweise entsprechend betrieben werden.advantageously, is at the drive device at least one electric generator arranged to generate electrical energy. This is advantageous Way generation of electrical energy by means of the pressure energy recovery unit according to the invention realizable. The electrical energy generated in this case can be used for a wide variety of Purposes are used. For example, electrical consumers a vehicle are at least partially operated accordingly.

Vorzugsweise weist die Druckenergieverwertungseinheit wenigstens einen Verdichter zur Verdichtung eines weiteren Betriebsstoff des Brennstoffenergiewandlers auf. Mit dieser Ausführungsvariante der Erfindung wird die Druckenergie des Brennstoffs für einen weiteren Betriebsstoff des Brennstoffenergiewandlers verwertbar. Eine entsprechende Verwertung ist vor allem bei Brennstoffenergiewandlern vorteilhaft, die mit einem Überdruck betrieben werden. Dieser Betriebsdruck bzw. Überdruck wird mit Hilfe des Verdichters gemäß der Erfindung zur Druckbeaufschlagung des weiteren Betriebsstoffs erzeugt. Durch (teilweise) Kompensation der Energie für die Druckbeaufschlagung des einen Betriebsstoffs durch die Nutzung der Druckenergie des weiteren Betriebsstoffs kann der Systemwirkungsgrad der gesamten Einheit erhöht werden.Preferably the pressure energy recovery unit has at least one compressor for the compression of another fuel of the fuel energy converter on. With this embodiment of the Invention is the pressure energy of the fuel for a further fuel of the fuel energy converter usable. A corresponding utilization is above all with fuel energy converters advantageous with an overpressure operate. This operating pressure or overpressure is with the help of Compressor according to the invention generates to pressurize the other fuel. By (partial) compensation of the energy for the pressurization of the a fuel by the use of the pressure energy further Fuel can be the system efficiency of the whole unit elevated become.

In einer besonderen Variante der Erfindung umfasst die Druckenergieverwertungseinheit wenigstens eine Kopplungsvorrichtung zur Kopplung der Antriebsvorrichtung mit dem Verdichter. Beispielsweise ist die Kopplungsvorrichtung als elektrische Verbindung realisiert, wodurch der Generator der Antriebsvorrichtung insbesondere zur elektrischen Versorgung des Verdichters einsetzbar ist.In a particular variant of the invention, the pressure energy utilization unit comprises at least one coupling device for coupling the drive device to the compressor. example way, the coupling device is realized as an electrical connection, whereby the generator of the drive device can be used in particular for the electrical supply of the compressor.

Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Kopplungsvorrichtung mit wenigstens einer Welle oder dergleichen ausgebildet. Eine mechanische Kopplungsvorrichtung gewährleistet eine besonders störungssichere und vergleichsweise einfach zu realisierende Kopplung. Hiermit kann insbesondere eine sogenannte Aufladung des weiteren Betriebsstoff wie Luft oder dergleichen mittels der Druckenergie des Brennstoffs erfolgen.alternative or in combination therewith, the coupling device is at least a wave or the like. A mechanical coupling device guaranteed a particularly fail-safe and relatively easy to implement coupling. Hereby can in particular a so-called charging of the further fuel such as air or the like by means of the pressure energy of the fuel respectively.

Vorteilhafterweise weist die Kopplungsvorrichtung wenigstens eine Getriebeeinheit zur mechanischen Anpassung des Verdichters an die Antriebsvorrichtung auf. Mit Hilfe einer entsprechenden Getriebeeinheit kann insbesondere eine mechanische Übersetzung, d. h. Anpassung der Drehzahlen, zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Verdichter umgesetzt werden. Dies kann insbesondere bei direkter mechanischer Kopplung der beiden Komponenten angesichts der möglicherweise sehr unterschiedlichen Massenströme bei der Brennstoffexpansion und der Kompression des weiteren Betriebsstoffs von Vorteil sein.advantageously, the coupling device has at least one gear unit mechanical adjustment of the compressor to the drive device on. In particular, with the aid of a corresponding gear unit a mechanical translation, d. H. Adjusting the speeds, between the drive device and the compressor are implemented. This can be especially true direct mechanical coupling of the two components possibly very different mass flows in the fuel expansion and the compression of the other fuel be beneficial.

In bevorzugter Weise ist zur Gewährleistung eines Leistungsgleichgewichts an der Kopplungsvorrichtung gegebenenfalls ein elektrischer Zusatzantrieb des Verdichters vorteilhafterweise mittels einem Freilauf der Kopplungsvorrichtung bzw. einer entsprechenden Welle bei unzureichender Expansionsarbeit des Brennstoffs angeordnet.In is preferred to ensure a Power balance on the coupling device, if necessary an electric auxiliary drive of the compressor advantageously by means of a freewheel of the coupling device or a corresponding one Wave arranged at insufficient expansion work of the fuel.

Generell kann die Druckenergieverwertungseinheit zur Expansion bzw. Kompression des Brennstoffs bzw. des weiteren Betriebsstoffs wie Luft oder dergleichen Schrauben-, Spiral- und/oder Schaufel-Kompressoren bzw. -Turbinen oder dergleichen umfassen. Gegebenenfalls kann auf handelsübliche Komponenten zurückgegriffen werden, wodurch eine (besonders) wirtschaftlich günstige Ausführungsform der Erfindung realisierbar ist.As a general rule For example, the pressure energy recovery unit can expand or compress the fuel or other fuel such as air or the like Screw, spiral and / or Shovel compressors or the like. Optionally, commercially available components resorted become, whereby a (particularly) economically favorable execution form of the Invention is feasible.

Vorzugsweise ist wenigstens in Strömungsrichtung vor dem Brennstoffenergiewandler ein separates Druckverminderungselement zur Begrenzung des Brennstoffdrucks angeordnet. Beispielsweise erfolgt die Reduktion des Drucks des Brennstoffdruckspeichers vom Speicherdruck auf den Betriebsdruck des Brennstoffenergiewandlers, insbesondere der Brennstoffzelleneinheit bzw. der Verbrennungseinrichtung, vorzugsweise mit Hilfe eines Druckminderventils oder dergleichen. Ein entsprechend separates Druckverminderungselement ermöglicht eine besonders exakte und relativ einfach einzustellende Regelung bzw. Reduzierung des Brennstoffdrucks auf den Betriebsdruck des Brennstoffenergiewandlers. Durch die verhältnismäßig zuverlässige Reduzierung des Speicherdrucks auf den Betriebsdruck mittels dem separaten Druckverminderungselement wird die Sicherheit der Brennstoffbereitstellungseinheit bei Störungen der Druckenergieverwertungseinheit oder dergleichen entscheidend erhöht.Preferably is at least in the direction of flow before the fuel energy converter a separate pressure reduction element arranged to limit the fuel pressure. For example, done the reduction of the pressure of the fuel pressure accumulator from the accumulator pressure on the operating pressure of the fuel energy converter, in particular the fuel cell unit or the combustion device, preferably by means of a pressure reducing valve or the like. A corresponding separate pressure reduction element allows a particularly accurate and relatively easy to set control or reduction of the Fuel pressure on the operating pressure of the fuel energy converter. Due to the relatively reliable reduction the accumulator pressure on the operating pressure by means of the separate pressure reduction element the safety of the fuel supply unit in case of failure of the Pressure energy recovery unit or the like significantly increased.

Generell kann die Druckenergieverwertungseinheit als einstufige Einheit realisiert werden, d. h. der Speicherdruck wird lediglich in einer Verfahrensstufe auf den Betriebsdruck reduziert. Alternativ kann jedoch in besonderen Anwendungsfällen auch eine mehrstufige Reduzierung des Speicherdrucks auf den Betriebsdruck verwirklicht werden. Bei der letztgenannten Variante der Erfindung werden in vorteilhafter Weise mehrere, hintereinander geschaltete Expansionsstufen vorgesehen.As a general rule For example, the pressure energy recovery unit can be realized as a single-stage unit be, d. H. the accumulator pressure is only in one process stage reduced to the operating pressure. Alternatively, however, in particular applications also a multi-stage reduction of the accumulator pressure to the operating pressure be realized. In the latter variant of the invention Advantageously, a plurality of successive expansion stages intended.

Grundsätzlich kann mittels einer entsprechenden Heizeinheit bzw. eines Wärmetauschers eine zu starke Abkühlung des Brennstoffes in der Druckenergieverwertungseinheit bzw. in den einzelnen Stufen dieser vorteilhaft verhindert werden.Basically by means of a corresponding heating unit or a heat exchanger a too much cooling the fuel in the pressure energy recovery unit or in the individual stages of this can be advantageously prevented.

Ein gegebenenfalls vorzusehender Wärmetauscher ist in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass dieser die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit, der Verbrennungseinrichtung und/oder anderer Wärme erzeugender Komponenten, wie beispielsweise des Reformers oder dergleichen, zur Erwärmung des Brennstoffes verwendet.One optionally to be provided heat exchanger is advantageously designed such that this the waste heat of the Fuel cell unit, the combustion device and / or other Heat-generating Components, such as the reformer or the like, for warming fuel used.

Ausführungsbeispielembodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and is based on the Figures in more detail below explained.

Im Einzelnen zeigen:in the Show individual:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer Brennstoffzelle und 1 a schematic block diagram of an embodiment of the invention with a fuel cell and

2 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem Verbrennungsmotor. 2 a schematic block diagram of another embodiment of the invention with an internal combustion engine.

In 1 ist eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle 1 bzw. einem Brenstoffzellenstack 1 und einem Druckspeicher 2 zur Speicherung des Druckbeaufschlagten Wasserstoffs dargestellt. Beispielsweise handelt es sich bei der Brennstoffzelle 1 um eine PEM-Brennstoffzelle 1, die anodenseitig mit Wasserstoff aus dem Druckspeicher 2 versorgt wird.In 1 is a fuel cell system with a fuel cell 1 or a fuel cell stack 1 and a pressure accumulator 2 to store the pressurized hydrogen. For example, it is the fuel cell 1 to a PEM fuel cell 1 , the anode side with hydrogen from the pressure accumulator 2 is supplied.

Durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht auf der Kathodenseite ein wasserangereicherter Luftstrom. Für eine neutrale Wasserbilanz, d. h. Wasser 3 muss als Betriebsstoff nicht getankt werden, kann das entstehende, ausströmende Wasser 3 wieder auskondensiert werden und steht für die Befeuchtung der Membran zur Verfügung.Due to the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen is formed on the Katho On the other hand, a water-enriched air stream. For a neutral water balance, ie water 3 does not need to be fueled as fuel, the resulting, escaping water 3 be recondensed again and is available for the humidification of the membrane.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Reduktion des Speicherdrucks des Druckspeichers 2 auf den Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 mit Hilfe einer Turbine 4 und mittels dem optional vorzusehenden Druckminderventil 5.According to the invention, the reduction of the accumulator pressure of the pressure accumulator takes place 2 on the operating pressure of the fuel cell 1 with the help of a turbine 4 and by means of the optional pressure reducing valve 5 ,

Der in der Brennstoffzelle 1 erzeugte elektrische Stromfluss wird insbesondere mit einem Elektromotor 6 in Antriebsenergie für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug umgewandelt.The one in the fuel cell 1 generated electric current flow is in particular with an electric motor 6 converted into drive energy for a vehicle not shown in detail.

Gemäß 1 wird der Betriebsstoff Luft 7 mittels einem Kompressor 8 auf den Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 angehoben. Beispielsweise kann dieser ca. 3 bar betragen. Generell kann die Brennstoffzelle 1 auch bei einem Umgebungsdruck von 1 bar betrieben werden. In diesem Fall genügt ein vergleichsweise einfacher Lüfter 8 oder dergleichen als Ausführungsvariante für den Kompressor 8.According to 1 the fuel becomes air 7 by means of a compressor 8th on the operating pressure of the fuel cell 1 raised. For example, this can be about 3 bar. Generally, the fuel cell 1 be operated at an ambient pressure of 1 bar. In this case, a comparatively simple fan is sufficient 8th or the like as a variant for the compressor 8th ,

Der Betrieb einer Brennstoffzelle 1 unter erhöhtem Druck von ca. 3 bar liefert in vorteilhafter Weise höhere Brennstoffzellenwirkungsgrade und erlaubt es, genügend Wasser 3 zur Befeuchtung aus dem Prozess auszukondensieren. Mit Hilfe einer der Brennstoffzelle 1 nachgeschalteten Turbine 9 kann zusätzlich ein Teil der Kompressionsarbeit des Kompressors 8 durch die Expansion vom Betriebsdruck auf atmosphärischen Druck wiedergewonnen werden.The operation of a fuel cell 1 under elevated pressure of about 3 bar provides advantageously higher fuel cell efficiencies and allows enough water 3 To condense out of the process for humidification. With the help of one of the fuel cell 1 downstream turbine 9 In addition, part of the compression work of the compressor 8th be recovered by the expansion of the operating pressure to atmospheric pressure.

In Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalls bzw. der vorhandenen Drücke kann eine gestrichelt dargestellte Kopplung 10 bzw. 11 zwischen der Turbine 4, dem Kompressor 8 bzw. Lüfter 8 und/oder der Turbine 9 vorgesehen werden. Die Turbine 9 entfällt bei einem Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 von 1 bar.Depending on the particular application or the existing pressures, a coupling shown in dashed lines 10 respectively. 11 between the turbine 4 , the compressor 8th or fan 8th and / or the turbine 9 be provided. The turbine 9 omitted at an operating pressure of the fuel cell 1 from 1 bar.

Vorzugsweise ist die Kopplung 10 und/oder 11 mechanisch insbesondere mittels einer Welle realisiert. Das heißt, der Kompressor 8 und die Turbinen 4 bzw. 9 sind gegebenenfalls auf einer Welle angeordnet. Besonders zur Gewährleistung eines Leistungsgleichgewichts ist in nicht näher dargestellter Weise an der mechanischen Kopplung 10, 11 bei unzureichender Expansionsarbeit ein elektrischer Zusatzantrieb des Kompressors 8 über einen Freilauf der Welle möglich. Jedoch ist auch eine vollständige mechanische Entkopplung der Komponenten 4, 8, 9 gemäß der Erfindung realisierbar. Hierbei ist ein elektrisch angetriebener Kompressor 8 sowie die Rückgewinnung bzw. Kopplung der Expansionsarbeit in den Turbinen 4, 9 über einen nicht näher dargestellten Generator mittels elektrischer Energie vorzusehen.Preferably, the coupling is 10 and or 11 realized mechanically in particular by means of a shaft. That is, the compressor 8th and the turbines 4 respectively. 9 are optionally arranged on a shaft. Especially to ensure a power balance is not shown in detail on the mechanical coupling 10 . 11 in case of insufficient expansion work an electric auxiliary drive of the compressor 8th possible over a freewheel of the shaft. However, there is also a complete mechanical decoupling of the components 4 . 8th . 9 realized according to the invention. Here is an electrically driven compressor 8th and the recovery or coupling of the expansion work in the turbines 4 . 9 To provide a generator not shown by means of electrical energy.

Aufgrund der unterschiedlichen Druckniveaus bei der Expansion, insbesondere von 300 bar auf 3 bar und der Kompression, vor allem von 1 bar auf 3 bar, und den relativ geringen Massenströmen von Wasserstoff aus dem Druckspeicher 2 sind mehrere, nicht näher dargestellte, hintereinander geschaltete Expansionsstufen vorzusehen.Due to the different pressure levels during expansion, in particular from 300 bar to 3 bar and the compression, especially from 1 bar to 3 bar, and the relatively low mass flows of hydrogen from the pressure accumulator 2 are several, not shown, to provide consecutively connected expansion stages.

Vor allem bei einer direkten, mechanischen Kopplung 11 von Turbine 4 und Kompressor 8 ist angesichts der unterschiedlichen Massenströme von Wasserstoffexpansion und Luftkompression eine mechanische Übersetzung, d. h. Anpassung der Drehzahlen, zwischen dem Kompressor 8 und der Turbine 4 bzw. 9 vorteilhaft.Especially with a direct, mechanical coupling 11 from turbine 4 and compressor 8th is in view of the different mass flows of hydrogen expansion and air compression, a mechanical translation, ie adjustment of speeds, between the compressor 8th and the turbine 4 respectively. 9 advantageous.

In nicht näher dargestellter Weise kann vor allem bei einer mehrstufiger Expansion des Wasserstoffs eine Zwischenerwärmung des der Brennstoffzelle 1 zuzuführenden Wasserstoffgases, insbesondere mittels einem Wärmetauscher zur Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle 1, vorgesehen werden.In a manner not shown, especially in a multi-stage expansion of the hydrogen, an intermediate heating of the fuel cell 1 to be supplied hydrogen gas, in particular by means of a heat exchanger for using the waste heat of the fuel cell 1 be provided.

Das Ventil 5 gewährleistet selbst bei einer Störung bzw. nicht ordnungsgemäßen Betriebsweise der Turbine 4 zuverlässig eine Reduzierung des Speicherdrucks auf den Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1, so dass entsprechend nachteilige Beeinträchtigungen dieser vermeidbar sind.The valve 5 ensures even with a fault or improper operation of the turbine 4 reliably reducing the accumulator pressure to the operating pressure of the fuel cell 1 , so that corresponding adverse effects of these are avoidable.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Verbrennungsmotor 12 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 12 benötigt für seinen Betrieb sowohl Wasserstoff als auch Luft 7. Ähnliche bzw. vergleichbare Komponenten der 1 bzw. 2 weisen identische Bezugszeichen auf.In 2 is another embodiment of the invention with an internal combustion engine 12 shown. The internal combustion engine 12 requires both hydrogen and air for its operation 7 , Similar or comparable components of 1 respectively. 2 have identical reference numerals.

Entsprechend 2 wird Wasserstoff mittels der Turbine 4 sowie dem Ventil 5 vom Druckspeicher 2 dem Hubkolbenmotor 12 zugeführt und zusammen mit Luft 7 verbrannt. Eine Aufladung der Luft 7 wird mittels der Turbine 9 bzw. dem Kompressor 8 realisiert und führt zu einer besonders sauberen Verbrennung und zu einem relativ geringen Kraftstoffverbrauch. Diese Aufladung kann gegebenenfalls durch die Kopplung 11 mit der Turbine 4 unterstützt bzw. realisiert werden.Corresponding 2 becomes hydrogen by means of the turbine 4 as well as the valve 5 from the accumulator 2 the reciprocating engine 12 fed and together with air 7 burned. A charge of the air 7 is by means of the turbine 9 or the compressor 8th realizes and leads to a particularly clean combustion and a relatively low fuel consumption. Optionally, this charge may be due to the coupling 11 with the turbine 4 be supported or realized.

Gemäß der Erfindung wird mittels der Turbine 4 die Expansionsarbeit des im Druckspeicher 2 gespeicherten Wasserstoffs nutzbar gemacht. Darüber hinaus kann eine mechanische und/oder elektrische Kopplung 10, 11 der Komponenten 4, 8, 9 gemäß den Ausführungen zur 1 entsprechend realisiert werden.According to the invention, by means of the turbine 4 the expansion work of the pressure accumulator 2 stored hydrogen used. In addition, a mechanical and / or electrical coupling 10 . 11 of the components 4 . 8th . 9 according to the comments on 1 be realized accordingly.

Claims (12)

Brennstoffbereitstellungseinheit zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs eines Brennstoffenergiewandlers (1, 12) zur chemischen Umformung und Energiewandlung des Brennstoffs mit einem Brennstoffdruckspeicher (2) zur Speicherung des mit Druck beaufschlagten Brennstoffs, wobei wenigstens eine separate Druckenergieverwertungseinheit (4, 8, 9) zur Umwandlung und Verwertung von Druckenergie des Brennstoffs vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Druckenergieverwertungseinheit (4, 8) im Strömungsfluss zwischen dem Brennstoffdruckspeicher (2) und dem Brennstoffenergiewandler (1, 12) angeordnet ist, und dass eine zweite Druckenergieverwertungseinheit (9) in Strömungsrichtung hinter dem Brennstoffenergiewandler (1, 12) angeordnet ist.Fuel supply unit for providing a hydrogen-containing fuel of a fuel energy converter ( 1 . 12 ) for the chemical transformation and energy conversion of the fuel with a fuel pressure accumulator ( 2 ) for storing the pressurized fuel, wherein at least one separate pressure energy recovery unit ( 4 . 8th . 9 ) is provided for the conversion and utilization of pressure energy of the fuel, characterized in that a first pressure energy recovery unit ( 4 . 8th ) in the flow flow between the fuel pressure accumulator ( 2 ) and the fuel energy converter ( 1 . 12 ), and that a second pressure energy utilization unit ( 9 ) in the flow direction behind the fuel energy converter ( 1 . 12 ) is arranged. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckenergieverwertungseinheit (4, 8, 9) wenigstens eine mechanische Antriebsvorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie umfasst.Unit according to claim 1, characterized in that the pressure energy recovery unit ( 4 . 8th . 9 ) comprises at least one mechanical drive device for generating mechanical energy. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebsvorrichtung wenigstens ein elektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet ist.Unit according to claim 2, characterized in that in that at least one electrical generator is connected to the drive device is arranged to generate electrical energy. Einheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckenergieverwertungseinheit (4, 8, 9) wenigstens einen Verdichter (8) zur Verdichtung eines weiteren Betriebsstoffs (7) des Brennstoffenergiewandlers (1, 12) aufweist.Unit according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure energy recovery unit ( 4 . 8th . 9 ) at least one compressor ( 8th ) for the compression of another fuel ( 7 ) of the fuel energy converter ( 1 . 12 ) having. Einheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckenergieverwertungseinheit (4, 8, 9) wenigstens eine Kopplungsvorrichtung (10, 11) zur Kopplung der Antriebsvorrichtung mit dem Verdichter (8) umfasst.Unit according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure energy recovery unit ( 4 . 8th . 9 ) at least one coupling device ( 10 . 11 ) for coupling the drive device to the compressor ( 8th ). Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsvorrichtung (10, 11) als mechanische Kopplungsvorrichtung (10, 11) ausgebildet ist.Unit according to claim 5, characterized in that the coupling device ( 10 . 11 ) as a mechanical coupling device ( 10 . 11 ) is trained. Einheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsvorrichtung (10, 11) wenigstens eine Getriebeeinheit zur mechanischen Anpassung des Verdichters (8) an die Antriebsvorrichtung aufweist.Unit according to claim 5 or 6, characterized in that the coupling device ( 10 . 11 ) at least one gear unit for mechanical adjustment of the compressor ( 8th ) to the drive device. Einheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in Strömungsrichtung vor dem Brennstoffenergiewandler (1, 12) ein separates Druckverminderungselement (5) zur Begrenzung des Brennstoffdrucks angeordnet ist.Unit according to one of the preceding claims, characterized in that at least in the flow direction in front of the fuel energy converter ( 1 . 12 ) a separate pressure reducing element ( 5 ) is arranged to limit the fuel pressure. Verwendung einer Brennstoffbereitstellungseinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs für eine Brennstoffzellenanlage.Use of a fuel delivery unit according to one of the preceding claims to provide a hydrogen-containing fuel for a fuel cell plant. Verwendung einer Brennstoffbereitstellungseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs für eine Verbrennungseinrichtung einer Verbrennungsanlage.Use of a fuel delivery unit according to one the claims 1 to 8 for providing a hydrogen-containing fuel for one Combustion device of an incinerator. Verwendung einer Brennstoffbereitstellungseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs für eine Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Verbrennungseinrichtung in einem Fahrzeug.Use of a fuel delivery unit according to one the claims 1 to 8 for providing a hydrogen-containing fuel for one Fuel cell unit and / or a combustion device in a vehicle. Verwendung einer Brennstoffbereitstellungseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs für eine Brennkraftmaschine als Verbrennungseinrichtung.Use of a fuel delivery unit according to one the claims 1 to 8 for providing a hydrogen-containing fuel for one Internal combustion engine as a combustion device.
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